CN111256870A - 一种基于纯转动拉曼谱线全提取的测温激光雷达系统及探测方法 - Google Patents

一种基于纯转动拉曼谱线全提取的测温激光雷达系统及探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于纯转动拉曼谱线全提取的测温激光雷达系统及探测方法，系统包括激光发射单元、后继光学接收单元和信号采集与控制单元。激光发射单元由高重频半导体激光器和扩束镜组成。工控机控制激光器出光，激光经扩束镜扩束后经过三片反射镜反射后穿透窗口玻璃后发射到大气中，激光束与N2分子产生的转动拉曼分离谱线的后向散射光经过大气衰减后由后继光路接收单元接收，并由信号采集与控制单元进行数据采集和存储。本发明通过双光栅光谱、宽带滤光片组合，采用线阵光电倍增管接收，实现了N2分子谱线的全提取，有利于实现不同纯转动拉曼谱线的最优组合，实现温度廓线高精度测量。

Description

一种基于纯转动拉曼谱线全提取的测温激光雷达系统及探测 方法
技术领域
本发明涉及一种气象光学遥测系统，具体涉及一种温度廓线高精度测量激光雷达系统。
背景技术
大气温度是表征大气能量平衡的基本参数之一，高精度探测大气温度的时空变化规律具有重要的应用价值和科研价值。传统的无线电探空仪为当前大气温度垂直分布的常用手段，然而无线电探空仪测量数据的时间分辨率差，很多站点，一天中只有早晚两次数据。微波辐射遥感是利用大气中氧的吸收带反演大气温度分布，微波波长较长，穿透能力强，几乎不受天气条件干扰，但是其反演需要当地长期探空数据进行修正，并且垂直分辨率较差。
激光雷达是一种使用光学频段的主动遥感设备，激光具有高亮度、大功率、单色性好、相干性强和准直性高等特性，激光雷达被广泛应用于大气参数、环境监测等遥感探测中。相比较传统大气温度探测方法，激光雷达探测范围可以覆盖从近地面到60km高度。纯转动拉曼技术主要用于探测对流层大气温度，根据N2和O2分子的纯转动拉曼散射谱线强度与大气温度的依赖关系反演大气温度。纯转动拉曼技术的优点在于可以有效抑制激光发射米散射弹性信号，避免对流层气溶胶的干扰。纯转动拉曼激光雷达系统不仅要求激光光源频率稳定，还由于弹性散射波长与拉曼散射波长相隔很近，因此对分光系统的光谱分辨能力和抑制弹性散射信号能力要求较高，要求拉曼通道对弹性散射信号的抑制比至少在7个数量级以上。
目前国内外研制的纯转动拉曼测温激光雷达典型系统主要包括：
(1)德国霍恩海姆大学以Nd:YAG二倍频激光器为光源，输出532.4nm波长激光，通过按照一定角度和顺序的干涉滤光片进行分光，干涉滤光片采用了两片带宽为0.7nm的干涉滤光片分别提取提取N2分子和O2分子的多支反斯托克斯纯转动低、高阶谱线，多条谱线相互混合，在增加了白天天空背景噪声的同时，也对大气温度反演带来了一定困难，需要不定时利用探空数据进行系数订正和拟合。
(2)武汉大学在申请号为201710198611.5中提出了基于紫外准单支转动拉曼谱提取的全天时测温激光雷达，系统通过FP标准具提取出N2和O2单支反斯托克斯纯转动拉曼特征谱线，压缩白天天空背景噪声，实现温度廓线的全天时测量。这种技术对激光器线宽要求高，需要种子注入的Nd:YAG激光器，并且用于温度反演的高阶反斯托克的最优波长是随温度变化的，选定高阶反斯托克斯波长不利于温度的高精度反演。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于纯转动拉曼谱线全提取测温激光雷达系统，通过双光栅光谱、窄带滤光片组合，采用线阵光电倍增管接收，实现了N2分子谱线的全提取，有利于实现不同纯转动拉曼谱线的最优组合，实现温度廓线高精度测量。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于纯转动拉曼谱线全提取测温激光雷达系统，包括激光发射单元、光学接收单元、信号采集与控制单元；所述的激光发射单元包括高重频半导体激光器、扩束镜、三组反射镜，三组反射镜分别包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜，高重频半导体激光器、扩束镜、第一反射镜紧锁在一块光学平板上，光学平板水平固定在系统框架上；
所述后继光学接收单元包括接收望远镜、光纤、准直镜、两个平面全息光栅、凹面镜、两个宽带反射镜、以及用于纯转动拉曼信号的宽带滤光片和用于同时接收纯转动拉曼全谱线的线阵光电倍增管；所述的接收望远镜镀有353-360nm高反介质膜层，接收望远镜光轴与激光反射单元光轴一致，接收望远镜出散光路上依次设置光纤、准直镜、第一块平面全息光栅、第二块平面全息光栅、凹面镜、第一个宽带反射镜、第二个宽带反射镜、宽带滤光片、线阵光电倍增管。准直镜、两个平面全息光栅、凹面镜、两个宽带反射镜、宽带滤光片、线阵光电倍增管固定在一个密闭箱体内，通过光纤直接与接收望远镜相连接。
所述信号采集与控制单元包括前置放大器、数据采集卡、UPS电源、工控机，所述前置放大器分别采用2倍和48倍，分别对同一信号进行采集，从而增大回波信号的动态范围，所述数据采集卡采用PCI接口，采样位数12bit，采样速率20Mhz，放置于工控机内部。
一种基于纯转动拉曼谱线全提取测温激光雷达系统探测方法，由工控机通过串口发送命令控制高频激光器出光，激光经扩束镜扩束后经第一反射镜反射后由水平状态转为垂直发射到空中，第二反射镜和第三反射镜将激光束由离轴形式转变为激光雷达的同轴结构，激光束穿透密封镜窗垂直射向大气中，激光束与N2气分子产生相互作用，其产生的纯转动拉曼后向散射光由接收望远镜接收后，汇聚于光纤入口内。光纤将N2分子斯托克斯和反斯托克斯的纯转动拉曼后向散射光由准直镜准直后转为平行光，平行光经过第一块平面全息光栅、第二块平面全息光栅组成的分光器件组分离出各阶纯转动拉曼光，经由凹面镜会聚，第一个宽带反射镜和第二个宽带反射镜是为了增加光程，将纯转动拉曼光两次转折，减小密闭箱体的长度。宽带滤光片用于进一步抑制发射激光与颗粒物、空气分子产生的米散射光，经过宽带滤光片后，N2分子各阶纯转动拉曼散射光分布在线阵光电倍增管各个点阵上，并被采集单元分别采集接收，工控机通过纯转动拉曼温度激光雷达分析软件解析获得温度垂直分布信息。在结束测量时，工控机控制关闭高频激光器输出，依次关闭前置放大器、采集器、光电倍增管高压、工控机。在系统连续测量过程中，工控机通过UPS电源不间断监测供电电池组的输入状态，若供电电池组的保持正常供电，则系统循环工作；若供电电池组的输入状态出现异常，为了防备供电电池组的输入状态只是短暂的异常，或者只是供电电池组的电压波动造成的，因此，在检查发现供电电池组供电状态异常的情况下，等待1～2分钟后再次检查供电电池组供电状态是否正常，若供电电池组输入状态正常，则系统继续循环工作，若供电电池组供电状态仍然异常，则关闭高频激光器，并预设3-5分钟后关闭UPS电源，在关闭高频激光器后，关闭工控机，UPS电源会在3-5分钟后关闭。
其中，UPS电源采用在线式架构、正弦波输出，UPS电源可以解决市电高压、市电低压、电压瞬态跌落、电压波动、浪涌电压电源问题，在断电情况下，能维持5～10分钟的正常输出，提供RS-232串口，通过S-232串口对UPS电源控制。
其中，激光发射单元整体核心部件高频激光器、扩束镜紧锁在一块光学平板上面，光学平板水平固定在系统框架上，在快速运动和颠簸的工作环境下，起到了保护高频激光器的目的和抗震的效果。
其中，接收望远镜采用了纯正的Richey-Chre'tien双曲面主、次镜结构，同时消除了球差和彗差，并且主、次镜采用最优的低热膨胀系数石英玻璃，辅以高强度、低膨胀系数镜筒，主镜牢牢固定在后端基座上，次镜经过光轴校准后固定不动；接收望远镜主次镜镀介质膜，具有99％的极高反射率，接收望远镜口径大于等于300mm。
其中，光纤为石英光纤，对紫外350-360nm高透，光纤数值孔径与接收望远镜数值孔径相匹配，光纤端面起到小孔光阑的作用，限制了接收望远镜视场角，通过多次试验验证，接收望远镜视场角小于等于0.2mrad，白天白噪声影响小，从而得以实现白天纯转动拉曼回波信号的有效提取，实现纯转动拉曼雷达温度廓线白天测量。
其中，高频激光器经过扩束镜的激光发散角小于等于0.1mrad，并且是接收视场角的一半。
其中，第一块平面全息光栅、第二块平面全息光栅组成的分光器件对发射激光的抑制比为3，为了进一步抑制发射激光，采用的宽带滤光片对发射激光的抑制比为4，对各阶纯转动拉曼光峰值透过率大于60％。
其中，第一块平面全息光栅、第二块平面全息光栅组成的分光器件的光谱分辨率达到0.1nm/mm，与线阵光电倍增管中的像素为1mm，各级纯转动拉曼光谱之间的光谱间隔为0.1nm，每根纯转动拉曼光谱均由线阵光电倍增管独立接收。
其中，系统可独立测量各阶存转动拉曼谱线，全部独立提取N2各阶从0阶-16阶各阶斯托克斯光和反斯托克斯光，同时独立测量各阶纯转动拉曼谱线，灵活选择不同的纯转动拉曼谱线用于温度反演，提高温度廓线的反演精度。
本发明与现有技术相比的有益效果：
(1)通过本发明的基于纯转动拉曼谱线的测温激光雷达系统，可同时独立测量各阶纯转动拉曼谱线，相对于0.5nm～0.8nm的宽带滤光片同时混合提取纯转动拉曼谱线的激光雷达，该激光雷达的系统带宽减小了5倍～8倍，大幅度减小了白天天空背景噪声，提供了系统探测信噪比，提升了对流层白天探测能力，并且更容易和探空气球校对；相对于基于Fabry-Perot标准具的紫外单支纯转动拉曼谱线的温度激光雷达，可以在四季温度变化剧烈的地区更为灵活地选择不同的纯转动拉曼谱线，更有利于高精度温度廓线的反演和测量。
(2)该纯转动拉曼激光雷达可以实现全天时探测对流层的大气温度等空间分布和时间演变参数，系统集成度高，对环境压力、温度和湿度要求低，可实现不同地区和复杂地形的长期稳定观测。
附图说明
图1为本发明一种基于纯转动拉曼谱线全提取的测温激光雷达系统图。
图中：1为高重频半导体激光器；2为扩束镜；3为第一反射镜；4为第二反射镜；5为第三反射镜；6为接收望远镜；7为光纤；8为准直镜；9为第一块平面全息光栅；10为第二块平面全息光栅；11为凹面镜；12为第一个宽带反射镜；13为第二个宽带反射镜；14为宽带滤光片；15为线阵光电倍增管。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明一种基于纯转动拉曼谱线全提取测温激光雷达系统，包括激光发射单元、光学接收单元、信号采集与控制单元；所述的激光发射单元包括高重频半导体激光器1、扩束镜2、三组反射镜，三组反射镜分别包括第一反射镜3、第二反射镜4、第三反射镜5，高重频半导体激光器1、扩束镜2、第一反射镜3紧锁在一块光学平板上，光学平板水平固定在系统框架上；高重频半导体激光器1可选354.7nm风冷激光器；
所述后继光学接收单元包括接收望远镜6、光纤7、准直镜8、第一块平面全息光栅9、第二块平面全息光栅10、凹面镜11、第一个宽带反射镜12、第二个宽带反射镜13以及用于纯转动拉曼信号的宽带滤光片14和用于同时接收纯转动拉曼全谱线的线阵光电倍增管15；所述的接收望远镜6镀有353-360nm高反介质膜层，接收望远镜光轴与激光反射单元光轴一致，接收望远镜出散光路上依次设置光纤7、准直镜8、第一块平面全息光栅9、第二块平面全息光栅10、凹面镜11、第一个宽带反射镜12、第二个宽带反射镜13、宽带滤光片14、线阵光电倍增管15。准直镜8、第一块平面全息光栅9、第二块平面全息光栅10、凹面镜11、第一个宽带反射镜12、第二个宽带反射镜13、宽带滤光片14、线阵光电倍增管15固定在一个密闭箱体内，通过光纤7直接与接收望远镜6相连接。
所述信号采集与控制单元包括前置放大器、数据采集卡、UPS电源、工控机，所述前置放大器分别采用2倍和48倍，分别对同一信号进行采集，从而增大回波信号的动态范围，所述数据采集卡采用PCI接口，采样位数12bit，采样速率20Mhz，放置于工控机内部。
本发明工作工程：
由工控机通过串口发送命令控制高重频半导体激光器1出光，激光经扩束镜2扩束后经第一片反射镜3反射后由水平状态转为垂直发射到空中，第二片反射镜4和第三片反射镜5将激光束由离轴形式转变为激光雷达的同轴结构，激光束穿透密封镜窗垂直射向大气中，激光束与N2气分子产生相互作用，其产生的纯转动拉曼后向散射光由接收望远镜6接收后，汇聚于光纤7入口内。光纤将N2分子斯托克斯和反斯托克斯的纯转动拉曼后向散射光由准直镜8准直后转为平行光，平行光经过第一块平面全息光栅9、第二块平面全息光栅10的分光器件组分离出各阶纯转动拉曼光，经由凹面镜11会聚，第一个宽带反射镜12和第二个宽带反射镜13是为了增加光程，将纯转动拉曼光两次转折，减小密闭箱体的长度。宽带滤光片14用于进一步抑制发射激光与颗粒物、空气分子产生的米散射光，经过宽带滤光片后，N2分子各阶纯转动拉曼散射光分布在线阵光电倍增管15各个点阵上，并被采集单元分别采集接收，工控机通过纯转动拉曼温度激光雷达分析软件解析获得温度垂直分布信息。在结束测量时，工控机控制关闭高频激光器输出，依次关闭前置放大器、采集器、光电倍增管高压、工控机。在系统连续测量过程中，工控机通过UPS电源不间断监测供电电池组的输入状态，若供电电池组的保持正常供电，则系统循环工作；若供电电池组的输入状态出现异常，为了防备供电电池组的输入状态只是短暂的异常，或者只是供电电池组的电压波动造成的，因此，在检查发现供电电池组供电状态异常的情况下，等待1～2分钟后再次检查供电电池组供电状态是否正常，若供电电池组输入状态正常，则系统继续循环工作，若供电电池组供电状态仍然异常，则关闭高频激光器，并预设3-5分钟后关闭UPS电源，在关闭高频激光器后，关闭工控机，UPS电源会在3-5分钟后关闭。
本发明的主要特点如下：
UPS电源采用在线式架构、正弦波输出，UPS电源可以解决市电高压、市电低压、电压瞬态跌落、电压波动、浪涌电压电源问题，在断电情况下，能维持5～10分钟的正常输出，提供RS-232串口，通过S-232串口对UPS电源控制。
激光发射单元整体核心部件高频激光器、扩束镜紧锁在一块光学平板上面，光学平板水平固定在系统框架上，在快速运动和颠簸的工作环境下，起到了保护高频激光器的目的和抗震的效果。
接收望远镜采用了纯正的Richey-Chre'tien双曲面主、次镜结构，同时消除了球差和彗差，并且主、次镜采用最优的低热膨胀系数石英玻璃，辅以高强度、低膨胀系数镜筒，主镜牢牢固定在后端基座上，次镜经过光轴校准后固定不动；接收望远镜主次镜镀介质膜，具有99％的极高反射率，接收望远镜口径大于等于300mm。
光纤为石英光纤，对紫外350-360nm高透，光纤数值孔径与接收望远镜数值孔径相匹配，光纤端面起到小孔光阑的作用，限制了接收望远镜视场角，通过多次试验验证，接收望远镜视场角小于等于0.2mrad，白天白噪声影响小，从而得以实现白天纯转动拉曼回波信号的有效提取，实现纯转动拉曼雷达温度廓线白天测量。
高频激光器经过扩束镜的激光发散角小于等于0.1mrad，并且是接收视场角的一半。
第一块平面全息光栅、第二块平面全息光栅组成的分光器件对发射激光的抑制比为3，为了进一步抑制发射激光，采用的宽带滤光片对发射激光的抑制比为4，对各阶纯转动拉曼光峰值透过率大于60％。
第一块平面全息光栅、第二块平面全息光栅组成的分光器件的光谱分辨率达到0.1nm/mm，与线阵光电倍增管中的像素为1mm，各级纯转动拉曼光谱之间的光谱间隔为0.1nm，每根纯转动拉曼光谱均由线阵光电倍增管独立接收。
系统可独立测量各阶存转动拉曼谱线，全部独立提取N2各阶从0阶-16阶各阶斯托克斯光和反斯托克斯光，同时独立测量各阶纯转动拉曼谱线，灵活选择不同的纯转动拉曼谱线用于温度反演，提高温度廓线的反演精度。
以上所述仅为本发明较佳实施例，然其并非用于限制本发明。本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知常识，凡在本发明原则和精神范围内的变换与改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于纯转动拉曼谱线全提取测温激光雷达系统，其特征在于：包括激光发射单元、后继光学接收单元、信号采集与控制单元；所述的激光发射单元包括高重频半导体激光器、扩束镜、三组反射镜，三组反射镜分别包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜，高重频半导体激光器、扩束镜、第一反射镜紧锁在一块光学平板上，光学平板水平固定在系统框架上；
所述后继光学接收单元包括接收望远镜、光纤、准直镜、两个平面全息光栅、凹面镜、两个宽带反射镜以及用于纯转动拉曼信号的宽带滤光片和用于同时接收纯转动拉曼全谱线的线阵光电倍增管；所述的接收望远镜镀有353-360nm高反介质膜层，接收望远镜光轴与激光反射单元光轴一致，接收望远镜出散光路上依次设置光纤、准直镜、第一块平面全息光栅、第二块平面全息光栅、凹面镜、第一个宽带反射镜、第二个宽带反射镜、宽带滤光片、线阵光电倍增管；准直镜、两个平面全息光栅、凹面镜、两个宽带反射镜、宽带滤光片、线阵光电倍增管固定在一个密闭箱体内，通过光纤直接与接收望远镜相连接；
所述信号采集与控制单元包括前置放大器、数据采集卡、UPS电源、工控机，所述前置放大器分别采用2倍和48倍，分别对同一信号进行采集，从而增大回波信号的动态范围，所述数据采集卡采用PCI接口，采样位数12bit，采样速率20Mhz，放置于工控机内部。
2.一种基于纯转动拉曼谱线全提取测温激光雷达系统探测方法，利用权利要求1所述的基于纯转动拉曼谱线全提取测温激光雷达系统，其特征在于：由工控机通过串口发送命令控制高频激光器出光，激光经扩束镜扩束后经第一反射镜反射后由水平状态转为垂直发射到空中，第二反射镜和第三反射镜将激光束由离轴形式转变为激光雷达的同轴结构，激光束穿透密封镜窗垂直射向大气中，激光束与N2气分子产生相互作用，其产生的纯转动拉曼后向散射光由接收望远镜接收后，汇聚于光纤入口内；光纤将N2分子斯托克斯和反斯托克斯的纯转动拉曼后向散射光由准直镜准直后转为平行光，平行光经过第一块平面全息光栅、第二块平面全息光栅组成的分光器件组分离出各阶纯转动拉曼光，经由凹面镜会聚，第一个宽带反射镜和第二个宽带反射镜是为了增加光程，将纯转动拉曼光两次转折，减小密闭箱体的长度；宽带滤光片用于进一步抑制发射激光与颗粒物、空气分子产生的米散射光，经过宽带滤光片后，N2分子各阶纯转动拉曼散射光分布在线阵光电倍增管各个点阵上，并被采集单元分别采集接收，工控机通过纯转动拉曼温度激光雷达分析软件解析获得温度垂直分布信息；在结束测量时，工控机控制关闭高频激光器输出，依次关闭前置放大器、采集器、光电倍增管高压、工控机；在系统连续测量过程中，工控机通过UPS电源不间断监测供电电池组的输入状态，若供电电池组的保持正常供电，则系统循环工作；若供电电池组的输入状态出现异常，为了防备供电电池组的输入状态只是短暂的异常，或者只是供电电池组的电压波动造成的，因此，在检查发现供电电池组供电状态异常的情况下，等待1～2分钟后再次检查供电电池组供电状态是否正常，若供电电池组输入状态正常，则系统继续循环工作，若供电电池组供电状态仍然异常，则关闭高频激光器，并预设3-5分钟后关闭UPS电源，在关闭高频激光器后，关闭工控机，UPS电源会在3-5分钟后关闭。
3.根据权利要求2所述的一种基于纯转动拉曼谱线全提取测温激光雷达系统探测方法，其特征在于：UPS电源采用在线式架构、正弦波输出，UPS电源可以解决市电高压、市电低压、电压瞬态跌落、电压波动、浪涌电压电源问题，在断电情况下，能维持5～10分钟的正常输出，提供RS-232串口，通过S-232串口对UPS电源控制。
4.根据权利要求2所述的一种基于纯转动拉曼谱线全提取测温激光雷达系统探测方法，其特征在于：激光发射单元整体核心部件高频激光器、扩束镜紧锁在一块光学平板上面，光学平板水平固定在系统框架上，在快速运动和颠簸的工作环境下，起到了保护高频激光器的目的和抗震的效果。
5.根据权利要求2所述的一种基于纯转动拉曼谱线全提取测温激光雷达系统探测方法，其特征在于：接收望远镜采用了纯正的Richey-Chre'tien双曲面主、次镜结构，同时消除了球差和彗差，并且主、次镜采用最优的低热膨胀系数石英玻璃，辅以高强度、低膨胀系数镜筒，主镜牢牢固定在后端基座上，次镜经过光轴校准后固定不动；接收望远镜主次镜镀介质膜，具有99％的极高反射率，接收望远镜口径大于等于300mm。
6.根据权利要求2所述的一种基于纯转动拉曼谱线全提取测温激光雷达系统探测方法，其特征在于：光纤为石英光纤，对紫外350-360nm高透，光纤数值孔径与接收望远镜数值孔径相匹配，光纤端面起到小孔光阑的作用，限制了接收望远镜视场角，通过多次试验验证，接收望远镜视场角小于等于0.2mrad，白天白噪声影响小，从而得以实现白天纯转动拉曼回波信号的有效提取，实现纯转动拉曼雷达温度廓线白天测量。
7.根据权利要求2所述的一种基于纯转动拉曼谱线全提取测温激光雷达系统探测方法，其特征在于：高频激光器经过扩束镜的激光发散角小于等于0.1mrad，并且是接收视场角的一半。
8.根据权利要求2所述的一种基于纯转动拉曼谱线全提取测温激光雷达系统探测方法，其特征在于：第一块平面全息光栅、第二块平面全息光栅组成的分光器件对发射激光的抑制比为3，为了进一步抑制发射激光，采用的宽带滤光片对发射激光的抑制比为4，对各阶纯转动拉曼光峰值透过率大于60％。
9.根据权利要求2所述的一种基于纯转动拉曼谱线全提取测温激光雷达系统探测方法，其特征在于：第一块平面全息光栅、第二块平面全息光栅组成的分光器件的光谱分辨率达到0.1nm/mm，与线阵光电倍增管中的像素为1mm，各级纯转动拉曼光谱之间的光谱间隔为0.1nm，每根纯转动拉曼光谱均由线阵光电倍增管独立接收。
10.根据权利要求2所述的一种基于纯转动拉曼谱线全提取测温激光雷达系统探测方法，其特征在于：系统可独立测量各阶存转动拉曼谱线，全部独立提取N2各阶从0阶-16阶各阶斯托克斯光和反斯托克斯光，同时独立测量各阶纯转动拉曼谱线，灵活选择不同的纯转动拉曼谱线用于温度反演，提高温度廓线的反演精度。
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